Chương I: Lý thuyết và các thông số của anten
Anten trong hệ thống thông tin di động.
1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten
1.1.1. Lịch sử phát triển
Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học Hoàng
Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ. Hertz (Đại học Karlsruhe) đã chứng
minh sự tồn tại của sóng này bằng thực nghiệm vào năm 1887 bằng sóng đứng
(tĩnh). Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ nhất quán” có thể phát hiện
sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ tinh chứa kim loại. Bộ nhất quán
này sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lodge (Anh). Mùa hè 1895, Marconi đã sử
dụng máy phát của Hertz, bộ nhất quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một
máy phát vô tuyến đầu tiên...
Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại
vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát. Những hệ thông được phát
triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở tần số
50MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm cellular (mạng
thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970);
Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA
IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ. Kỹ thuật anten được sử dụng
cho các hệ thống thông tin vô tuyến cũng có sự phát triển như sau:
- 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các anten
có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn .
- Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc qua
biển Atlantic
- 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu.
- Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và
băng thông tốt hơn.
- Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa
1





- Bức xạ sóng ra không gian để sóng truyền đi trong các môi trường thực và
được gọi là sóng điện từ tự do.
Thiết bị dùng để chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự do
và ngược lại được gọi là anten.
IEEE định nghĩa Anten là “phần của hệ thống truyền hay nhận được thiết kế để
bức xạ hay nhận sóng điện từ”. Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF (được sinh ra
bởi radio) và bức xạ nó vào không khí hay anten có thể nhận sóng điện từ cho radio.
Anten là thiết bị được ứng dụng trong nhiều lĩnh khác nhau của kỹ thuật vô
tuyến. Tùy theo nhiệm vụ của hệ thống vô tuyến mà có các yêu cầu khác nhau đối
với thiết bị anten. Ví dụ trong kỹ thuật vô tuyến định vị cần sử dụng anten có búp
sóng nhọn (đồ thị phương hướng hẹp) và búp sóng phải có khả năng quét trong
không gian để phát hiện và bám theo các mục tiêu di động, xác định tọa độ của các
mục tiêu đấy (anten rada)
Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện
từ. Anten là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến
điện, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền
lan từ nơi phát đến nơi thu. Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm
máy phát, máy thu, anten phát và anten thu (hình 1.1).

Hệ thống truyền tin đơn giản
Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten
thông qua hệ thống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ
biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fidơ thành sóng từ tự do bức xạ ra không
gian. Cấu tạo của anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên.
Tại nơi thu, anten thu làm nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận
3





- Cấu trúc của anten:
- Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng và anten có hướng
- Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng
1.1.3. Các hệ thống anten trong thông tin di động
- Hệ thống an ten hình quạt (sectored systems)
Hệ thống anten hình quạt kết hợp các an ten định hướng đặt ở trạm gốc (base
station-BS) để chia các ô (cell) truyền thống thành từng phần hình quạt (sector).
Một cell thường được chia thành 3 hoặc 6 sector, các sector hoạt động như các cell
độc lập. Hệ thống an ten hìnhquạt cho phép tăng khả năng tái sử dụng các kênh tần
số và giảm bớt xuyên nhiễu trong các hệ thống thông tin di động.
- Hệ thống anten phân tán (diversity systems)
Hệ thống anten phân tán kết hợp các an ten đặt các vị trí khác nhau ở trạm
gốc nhằm hạn chế hiệu ứng đa đường (fading). Để đơn giản ở đây ta chỉ xét hệ
thống anten phân tán gồm hai anten. Hệ thống này cải thiện độ lớn của tín hiệu thu
được bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau:
- Anten phân tán chuyển mạch-Sử dụng bộ chuyển mạch tự động để chọn kết
nối kênh tín hiệu với an ten nào ở vị trí thu được tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này có
khả năng cải thiện được hiệu ứng fading, tuy nhiên nó không thể nâng cao độ tăng
ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một an ten làm việc.Anten phân tán phối hợp-Thực
hiện việc nhận tín hiệu từ cả hai an ten, sửa sự lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu
để đưa ra tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này không những cải thiện được hiện tượng
fading mà còn tăng được độ tăng ích của anten/
Bởi vì cường độ tín hiệu phát ra của trạm gốc (hướng xuống) thường lớn hơn
nhiều cường độ tín hiệu phát ra bởi mobile (hướng lên) nên hệ thống anten phân
tán thường được dùng ở các trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu được từ mobile. Hệ
thống anten phân tán mặc dù có cải thiện được hiệu ứng fading nhưng vẫn chưa
đáp ứng được đòi hỏi phải giảm xuyên lẫn gữa các kênh, nâng cao độ nhạy, tăng
khả năng tái sử dụng kênh tần số cũng như tăng dung lượng của hệ thống. Các yêu


2

Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập và
phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm
số biểu thị biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ
trường ở hướng cực đại.

6


F ( θ ,ϕ ) =

f ( θ ,ϕ )

f ( θ , ϕ ) max

Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
1.2.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Hàm tính hướng cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn
cảm nhận được bằng trực thị tính hướng của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ
thị phương hướng được vẽ bởi hàm tính hướng.
Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ
hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách
khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không
gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông
thường, đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều. Đó là
đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại
đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy
Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ

0,50
0,25
-90

-60 -30

o
0

30

60

90

Ví dụ đồ thị phương hướng trong
Ví dụ đồ thị phương hướng trong

hệ tọa độ vuông góc

hệ tọa độ cực

Độ rộng của đồ thị phương hướng

8


1.2.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten
Công suất đặt vào anten PA do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông
thường qua fidơ cung cấp cho anten. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao

Pbx + Pth Rbx + Rth

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten.
Thông thường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.
1.2.4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

9


Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng.
Để biểu thị tính hướng của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng
người ta đưa vào hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số
khuếch đại (còn gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi). Các hệ số đó cho phép đánh giá tính
phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trường
bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten
chuẩn). Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại anten thích hợp
cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng.
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ
sóng điện từ đồng đều ở tất cả các hướng. Anten lý tưởng được xem như nguồn bức
xạ vô hướng hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
-

Hệ số hướng tính

Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất
bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn
ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của
hai anten là như nhau.

D ( θ ,ϕ ) =

anten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướng
được chọn và giảm năng lượng bức xạ ở các hướng khác. Chính vì vậy mà nó còn
được có thể được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten.

11


Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của anten
nên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và hệ số
khuếch đại ở hướng bức xạ cực đại.
Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại thường được biểu diễn theo đơn vị dB.
1.2.5 Trở kháng vào của anten
Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fidơ, anten sẽ
trở thành tải của máy phát hoặc máy thu. Trị số của tải này được đặc trưng bởi
một đại lượng gọi là trở kháng vào của anten. Trong trường hợp tổng quát, trở
kháng vào là một đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác
định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào
Z vA =

Ua
= RvA + jX vA
Ia

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học
của anten, điểm và phương tiếp điện cho anten.
Thành phần thực của nó bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao.
Thành phần ảo của nó biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài.
1.2.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công
suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

được biểu thị bởi một tham số gọi là diện tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng
của anten. Nếu anten là anten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích
của mật độ thông lượng công suất với diện tích hiệu dụng của anten thu.
Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:
Ae = A.η A

Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, η A là hiệu suất
làm việc của anten.
Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại của anten thu được
biểu thị bởi biểu thức
Ae =

GR .λ 2
4π

Trong đó Ae là diện tích hiệu dụng của anten (m)
GR là hệ số khuếch đại của anten thu
λ là bước sóng công tác (m)
Tương tự đối với các anten dây, chấn tử đối xứng… biểu thị bằng chiều dài
hiệu dụng. Nếu cường độ điện trường tại điểm đặt anten thu là E h(V/m) thì sức
điện động cảm ứng lên anten sẽ là


ε A = le .Eh
le

(V)

của anten phụ thuộc vào chiều dài thực của anten và bước sóng công tác, hay nói
l

1,1

K bv ( dB ) = Gmax ( dBi ) − G ( θ , ϕ ) ( dBi )


Chương II: Anten mảng
Chương này nghiên cứu kỹ thuật anten mảng và ứng dụng trong hệ thống
thông tin di động.
2.1. Giới thiệu về anten mảng
Trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với những đặc tính
chi phối (độ lợi rất cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách xa.
Thông thường điều này chỉ có thể hoàn thành bằng cách tăng đặc tính điện của
anten. Cách khác là ghép các thành phần bức xạ lại với nhau trong một hình thể và
cấu hình điện, không cần thiết phải tăng kích thước của các thành phần bức xạ
riêng. Nhiều thành phần bức xạ thì được định nghĩa là Anten mảng. Ăng-ten (và
mảng ăng-ten) thường hoạt động trong môi trường năng động, nơi các tín hiệu (cả
hai mong muốn và can thiệp) đến từ việc thay đổi hướng và với quyền hạn khác
nhau.
Như vậy Anten mảng là tập gồm nhiều Anten thành phần được bố trí tại
những vị trí khác nhau trong không gian mảng. Các anten thành phần này có thể


được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ. Tùy cách sắp xếp đó mà mảng có
thể là mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng. Mảng đường và mảng tròn là
trường hợp đặc biệt của mảng phẳng. Anten mảng có thể là một, hai hoặc ba chiều.
Anten mảng được chia thành Anten mảng pha và Anten mảng thích nghi theo
chức năng và hoạt động của nó.
2.1.1. Anten mảng pha
Anten mảng pha là Anten sử dụng các phần tử đơn và kết hợp với tín hiệu tạo
ra trên mỗi phần tử để tạo thành đầu ra. Mỗi anten hình thành mảng được gọi là
phần tử của mảng. Hướng có độ lợi cực đại xảy ra luôn được điều khiển bởi đặc
tính biên độ và pha giữa những thành phần khác nhau. Anten mảng pha cho phép

chọn.
Những mảng ăng ten sử dụng một thuật toán trọng số thích nghi, mà điều
chỉnh các trọng số dựa trên các tín hiệu nhận được để cải thiện hiệu suất của mảng.
Một mảng thích nghi là một hệ thống anten có thể biến đổi những mẫu tín hiệu
bằng điều khiển phản hồi trong hệ thống anten điều khiển. Đặc tính bức xạ của
những Anten này sẽ chuyển đổi thích nghi theo sự chuyển đổi của môi trường bằng
cách lái các búp không và giảm các búp phụ trong hướng nhiễu, trong khi giữ đặc
tính búp tín hiệu mong muốn.
Các vùng của một mẫu, nơi mà tăng ích có vùng phủ cực đại được gọi là búp.
Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà Anten phát ra. Búp sóng dọc được đo
theo độ và vuông góc với mặt đất còn búp sóng ngang được đo theo độ và song
song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu Anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau. Do
đó, chọn lựa búp sóng rộng hay hẹp sẽ quyết định hình dạng vùng phủ sóng mong
muốn, búp sóng càng hẹp thì tăng ích càng cao.
2.2. Các đặc tính và nguyên lý hoạt động của anten mảng
2.2.1. Các đặc tính
Một đặc điểm quan trọng của một mảng là sự thay đổi của mô hình bức xạ của
nó để đáp ứng với các kích thích khác nhau của các phần tử anten của nó. Với một
Anten thường thì để thay đổi đồ thị bức xạ ta phải quay cả hệ thống Anten, còn với
Anten mảng ta chỉ việc thay đổi một trong các thông số như khoảng cách, biên độ,
pha,… là đã có thể thay đổi được đồ thị bức xạ của Anten. Dạng hình học của Anten
mảng và các yếu tố khác nhau như giản đồ phương hướng, hướng, phân cực của
các phần tử đều có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng của Anten
mảng. Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten
thành phần, vào sự định hướng, vào vị trí của các anten, vào biên độ và pha của tín
hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ
phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng. Trong trường


hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng

gian sử dụng của pin và cho phép giảm
nhỏ kích thước cũng như trọng lượng
mobile.

Chống xuyên lẫn -Tỷ số tín
Tăng dung lượng -Việc tăng tỷ số
hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng cao C/I cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái
nhờ giảm được số nguồn nhiễu tác động sử dụng, từ đó tăng thêm dung lượng
lên beam định hướng.
của hệ thống.


Sự phân tập không gian -Các tín hiệu từ
Nâng cao khả năng chống hiệu ứng
ma trận an ten được phối hợp nhằm đa đường -Có thể giảm được tác động
giảm thiểu hiệu ứng fading và các ảnh của việc trễ trong kênh, cho phép nâng
hưởng khác của hiệu ứng đa đường
cao tốc độ (bit rate) mà không cần dùng
đến bộ cân bằng.
Tối ưu hoá công suất phát -Kết hợp
Giảm chi phí hệ thống -Giảm chi phí
tín hiệu vào của nhiều an ten nhằm tối cho các bộ khuyếch đại, giảm mức tiêu
ưu hoá độ tăng ích đường xuống.
thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của
hệ thống.
Thích ứng với hầu hết các chuẩn
Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ
thông tin vô tuyến
thống thông tin di động sử dụng các
chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA


Hệ số mảng, tổng các tín hiệu từ các anten để tạo đầu ra trong một anten
mảng pha.
Đầu ra của một anten mảng được thể hiện như sau :
Y=
2.2.3 Sự chuyển dịch pha


Cấu hình mảng điển hình
Hình trên cho thấy một số ví dụ về mảng một chiều và hai chiều gồm các anten
tuyến tính giống hệt nhau. Mỗi phần tử anten tuyến tính, trỏ theo trục z, đã có một
mô hình đa hướng liên quan đến góc phương vị φ.

Dịch chuyển anten
Hình trên cho thấy phía bên trái một ăng-ten được dịch bởi các vector d, và bên
phải, một số anten dịch đến các địa điểm khác nhau và sử dụng biên độ tương đối
khác nhau.


Trọng số hiện thời của các ăng-ten dịch là J d(r) = J (r-d). Theo định nghĩa, vector
bức xạ là biến đổi Fourier ba chiều của trọng số hiện thời. Do đó, vector bức xạ của
dịch chuyển hiện thời sẽ là:
= (r) r = J(r-d) r= J(r’)r’
= J(r’)r’ = F
Nếu ta thay biến r’= r-d, thì: Fd(k)=
2.2.4 Array Pattern Multiplication
Tổng quát hơn, chúng ta hãy xem xét một mảng ba chiều của một số ăng-ten
giống hệt nhau đặt tại vị trí d0, d1, d2,. . . với hệ số cấp dữ liệu tương đối a0, a 1, a2,. . . ,
Như thể hiện trong hình sau. (Để không mất tính tổng quát, ta có thể thiết lập d 0 = 0
và a0 = 1)